鋼管內無收縮混凝土施工技術的研究

偉基建設集團有限公司 杭州 310014

1 工程概況

杭州朝暉現(xiàn)代城三期（野風現(xiàn)代大廈），位于杭州市紹興路，總建筑面積111 945.8 m2，地下3 層，地上寫字樓23 層，建筑高度97.4 m，結構類型為鋼框架—鋼筋混凝土筒體結構。寫字樓外框柱采用17 根矩形鋼管混凝土柱，截面尺寸為700 mm×700 mm×22 mm，灌注孔Φ350 mm，灌芯混凝土強度等級C50。1～2層層高4.79 m，3～23層層高3.95 m。

2 鋼管混凝土的性能特點

鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、節(jié)省材料、方便施工等諸多優(yōu)點，在高層建筑和重點工程中得到廣泛應用[1]。但鋼管混凝土柱管內混凝土的澆筑屬于隱蔽工程，混凝土的澆筑質量是無法直觀檢查的。當采用人工澆灌并振搗時，只能依靠操作人員的責任心和嚴密的施工組織管理來保證施工質量。其中質量控制上最為關鍵的在于內芯混凝土，若達不到密實度要求，就會存在蜂窩、細孔、氣泡等缺陷[2,3]；另外，混凝土在硬化過程中會產(chǎn)生收縮變形，而鋼管內混凝土一般情況下強度都比較高，其收縮變形會更大，這些都會大幅度削弱鋼管混凝土整體結構的承載力。

鋼管混凝土的澆灌方法有3 種[4-6]，即底部頂升法、高位拋落法和立式澆搗法。混凝土的輸送方式有泵送和現(xiàn)場塔式起重機運輸?shù)?。底部頂升法和高位拋落法要求混凝土必須要有較大的坍落度，且極易產(chǎn)生管壁與混凝土粘結不緊密等質量缺陷。立式澆搗法則由于振動棒振搗等因素，在管頂容易產(chǎn)生泌水層和砂漿層。為了保證鋼管與管內混凝土共同作用，必須保證混凝土的密實度，減少混凝土的收縮。

本工程采用了分層澆注、分層振搗的施工方法，且在鋼管混凝土中摻入微膨脹抗裂膨脹劑和高效減水劑等，配制成補償收縮混凝土，使之既滿足施工工藝要求，又滿足了鋼管混凝土柱對混凝土的特定要求。

在施工中，我們還用高頻振動器代替普通振動器可顯著提高混凝土密實度，其振動頻率高達12 000次/min，其激振力強，具有普通振動器無法達到的高密實度，可促使鋼管內混凝土被鋼管完全約束，使抗壓強度進一步提高；同時鋼管由于內部得以充實，剛度增加，鋼管混凝土能夠承受的壓力相當于兩者單獨受壓的壓力之和的2 倍，真正實現(xiàn)鋼管混凝土承載力強、耐久性高、經(jīng)濟性能優(yōu)越的特點。

圖1 分層振搗澆筑示意

3 施工操作要點

3.1 配合比試驗

由于鋼管內混凝土性能有多方面的要求，混凝土的配合比優(yōu)化設計尤為重要。其中水膠比、粉煤灰和微膨脹抗裂膨脹劑摻量是鋼管混凝土的關鍵和重要因素。要在滿足強度下盡量降低水膠比，降低水泥用量。

首先，混凝土拌和物要求流動性和保水性能最佳，漿骨料比例適當（若砂漿量太小，影響混凝土的流動性；砂漿量過大，混凝土自身收縮性增大；同時，粗骨料體積比例小，混凝土的彈性模量降低，混凝土的受壓變形增大）。

其次，在澆混凝土前，為優(yōu)化配合比并確定膨脹劑最優(yōu)摻量，要按不同膨脹劑摻量制作多組試驗試塊，標養(yǎng)室養(yǎng)護，測量初始長度及3 d、7 d、14 d、28 d、60 d的試件長度。本工程根據(jù)試驗結果，同時參考膨脹劑推薦摻加量，采用SY-G高性能抗裂膨脹劑，膨脹劑摻量為水泥用量的8%。并經(jīng)設計院認可后按此配合比實施。

3.2 混凝土制備

（a）嚴格按混凝土配合比通知單下料，嚴格控制混凝土的配料順序，確保配料準確無誤。

（b）對攪拌站微機控制系統(tǒng)及自動計量系統(tǒng)嚴格認真監(jiān)控，經(jīng)常檢查其工作狀況是否正常。投料時確保原材料品種使用無誤，計量允許偏差不應超過下列規(guī)定：水泥、摻合料、水為±1%；粗細骨料為±2%；外加劑為±1%。

3.3 混凝土運輸

（a）混凝土攪拌運輸車裝料前應沖洗拌筒，并清除筒內積水后方能裝料?；炷脸鰪S前必須經(jīng)質檢員檢查合格后才能簽證放行。

（b）運輸途中拌筒以1～3 r/min速度進行攪動。攪拌車到達現(xiàn)場卸料前應使拌筒以8～12 r/min再轉1～2 min，然后進行反轉卸料。

（c）混凝土攪拌車到達工地卸料前，如檢查發(fā)現(xiàn)混凝土的和易性、坍落度不符合要求，需進行處理時，應由攪拌站駐現(xiàn)場技術代表進行處理，如需加外加劑，在添加后要再快速攪拌3 min才能卸料。如該車混凝土達到初凝時間，應作報廢處理。

（d）必須按發(fā)貨單注明的工程名稱、部位、混凝土強度等級，及時、準確地運送到施工現(xiàn)場，攪拌車運送頻率和運送時間必須符合施工要求，混凝土在運送途中及至施工現(xiàn)場均嚴禁加水。

3.4 混凝土澆筑準備

（a）鋼管柱已安裝完畢，達到澆筑混凝土要求。

（b）混凝土澆筑操作平臺搭設完成，滿足施工操作需求。

（c）施工現(xiàn)場已架設足夠的照明設施，滿足夜間施工照明要求。

（d）將鋼管柱內的雜物、積水清理干凈，不能有明水。

（e）安裝串筒或溜槽。

3.5 混凝土澆筑

（a）選用高頻低噪聲環(huán)保型電機內裝插入式振動器及成套設備代替普通插入式振搗棒，本工程選用型號為ZDN36/50/56型（3 種型號振動棒），其振動頻率高，振動棒長度達15 m，能保證混凝土振搗到位。

（b）在鋼柱每個分段（2～3個樓層一段）安裝完成并焊接、樓層全部鋼梁安裝完成，除懸挑梁外全部校正緊固焊接后，開始澆灌本段鋼管內混凝土。

（c）為保證有良好的工作面，在澆灌鋼管內混凝土前鋪好樓承板。天氣不好時，應增設局部照明，以保證能看清鋼管內混凝土振搗情況。

（d）混凝土采用塔式起重機吊運，澆筑混凝土前檢查料斗口開啟、關閉是否順利，料斗內是否清除干凈。

（e）澆筑前對鋼管安裝質量進行確認，并檢查鋼管內壁干凈、無油污、塵土、雜物等，符合后再澆筑混凝土。

（f）鋼管內混凝土選用人工逐段澆筑法澆筑，混凝土自鋼管上口灌入，采取分層澆注、分層振搗，一次澆灌高度不大于1.5 m，現(xiàn)場操作圖及直管段、節(jié)點處混凝土振搗系統(tǒng)布置如圖2、圖3所示。

（g）采用新型插入式高頻振動機代替普通插入式振搗器進行鋼管內混凝土的振搗，啟動時應先確定機組旋轉方向和棒頭的偏擺方向與箭頭標示一致（棒體在啟動的第一時間呈逆時針偏擺），振搗時要快插慢拔，插點沿梅花型布置，逐點移動，按順序進行，移動間距≤800 mm，每點振搗時間不小于30 s，以混凝土表面已呈現(xiàn)浮漿及石子不再沉落、不冒出氣泡為止。不得漏振。

圖2 直管段混凝土振搗系統(tǒng)布置示意

圖3 節(jié)點段混凝土振搗系統(tǒng)布置示意

（h）當混凝土澆注至鋼管內環(huán)肋板位置時，停止灌注混凝土，此時應沿內環(huán)肋板方向加強振動，使混凝土內氣泡通過內環(huán)肋板排氣孔排出，防止內環(huán)肋板下氣泡聚集，使混凝土在內環(huán)肋板下產(chǎn)生孔洞現(xiàn)象。

（i）鋼管內混凝土澆筑應連續(xù)進行，不得中斷，必須間歇時，應在前層混凝土初凝前將次層混凝土澆筑完畢。

（j）每段鋼管柱的混凝土，只澆筑到離鋼管頂端500 mm 處，以防焊接高溫影響混凝土的質量。若表面出現(xiàn)少量浮漿，可用人工刮除浮漿至完成面標高，并將混凝土表面刮花處理。

（k）澆筑后對管口進行封閉，防止水等雜物進入。混凝土澆筑后不得再對鋼管進行任何調整。

（l）冬期施工時，采取在鋼管外包毯子等進行保溫養(yǎng)護，防止受凍。

3.6 混凝土養(yǎng)護

為了減少混凝土的水分散失和塑性開裂，應加強養(yǎng)護?；炷脸跄蠹皶r蓄水養(yǎng)護，以使混凝土能夠及時散熱，降低水化放熱的峰值溫度。

3.7 鋼管內混凝土超聲波檢測

用超聲波檢測鋼管混凝土的完整性。根據(jù)合理布設檢測點對鋼管混凝土的密實程度和均勻性。檢測鋼管混凝土是否存在缺陷及缺陷位置，做好詳細的記錄和標記，對不密實的部位采用局部鉆孔、壓漿法進行補強，然后將鉆孔補焊封閉牢固。

4 質量控制

4.1 工程質量控制標準

（a）《鋼管混凝土工程施工質量驗收規(guī)范》（GB 50628—2010）；

（b）《混凝土結構工程施工規(guī)范》（GB 50666—2011）；

（c）《混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范》（GB 50204—2002）；

（d）《混凝土質量控制標準》（GB 50164—2011）；

（e）《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》（GB 50119—2013）

（f）《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》（GB 50205—2001）；

（g）《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》（JGJ 138—2001）；

（h）《補償收縮混凝土應用技術規(guī)程》（JGJ/T 178—2009）；

（i）《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ 55—2011）；

（j）《矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程》（CECS 159：2004）。

4.2 施工質量控制要求

（a）鋼管內混凝土的強度等級應符合設計要求。

（b）鋼管內混凝土的工作性能和收縮性應符合設計要求和國家現(xiàn)行有關標準的規(guī)定。鋼管柱內混凝土與鋼管壁應粘結緊密，無收縮空隙。

（c）鋼管內混凝土運輸、澆筑及間歇的全部時間不應超過混凝土的初凝時間，同一施工段鋼管內混凝土應連續(xù)澆筑。當需要留置施工縫時應按專項施工方案留置。

（d）鋼管內混凝土澆筑應密實，包括鋼管內環(huán)肋板下混凝土應振搗密實，無空鼓現(xiàn)象。

（e）鋼管柱頂混凝土表面密實，無浮漿，無松散顆粒，無龜裂現(xiàn)象。

4.3 質量保證措施

（a）混凝土的各種原材料，包括水泥、磨細礦渣、粉煤灰、砂、石、外加劑等按國家規(guī)范和有關規(guī)定檢驗，在每項技術指標符合要求后方能使用。

（b）對已安裝好的鋼管柱柱頭立即加蓋保護蓋板，以防雨水、油、異物落入。并進行中間環(huán)節(jié)驗收，確保鋼管柱在澆筑前干凈，無積水。檢查混凝土澆筑設備完好，防止在澆筑過程中出現(xiàn)故障。

（c）混凝土在入模前，應對拌合物的工作性能進行檢驗，主要檢測坍落度等，不得發(fā)生外沿冒漿和中心骨料堆積現(xiàn)象。

（d）混凝土現(xiàn)場取樣制作試塊，應以攪拌車卸料1/4后至3/4前的混凝土為代表?；炷寥印⒃嚰谱?、養(yǎng)護，均應由攪拌站、施工現(xiàn)場雙方人員及見證取樣員共同簽證認可。控制入模溫度在10 °C～30 °C范圍，鋼管柱局部溫度不超過40 °C。

（e）澆筑過程中，混凝土下落速度時間宜慢不能快，要注意混凝土澆筑連續(xù)性。如間斷澆筑時，澆筑間斷時間不得超過混凝土的初凝時間。

（f）混凝土澆筑完畢后，混凝土表面會有氣泡排出，并在混凝土表面泛起浮漿，應在混凝土初凝前將浮漿除去，并在混凝土終凝前，將混凝土表面剔毛，至外露石子為止。

（g）防止混凝土澆筑過程中濺到隔板，導致混凝土松散、離析，采用鋼導管下料，有效防止混凝土離析。

（h）在施工現(xiàn)場對工人進行操作培訓及技術交底。并加強操作人員質量意識教育，制訂獎罰措施。

5 安全措施

（a）澆筑鋼管柱前，在鋼管周邊應搭設臨時操作平臺，設防護欄桿；振搗、下料人員用的腳手架應穩(wěn)固可靠并做好臨邊防護，同時佩戴好勞動保護用品。

（b）用塔式起重機吊運混凝土時，要經(jīng)常檢查料斗吊鉤是否牢固可靠，料斗口開啟及關閉是否靈活穩(wěn)當，否則應及時更換、維修。

（c）機械設備、電動工具等必須有可靠的接地接零和漏電保護裝置，建立安全生產(chǎn)保障體系，項目部設安全監(jiān)督員和專職安全員，有相應的安全生產(chǎn)責任制。

（d）現(xiàn)場澆筑所產(chǎn)生的混凝土漿污染應及時清理。

6 環(huán)保措施

6.1 建筑垃圾及粉塵控制的技術措施

（a）施工現(xiàn)場應經(jīng)常曬水和澆水，以降低粉塵對人體的危害。

（b）混凝土材料攪拌時，工人應佩戴橡膠手套、防毒口罩，阻止粉塵和外加劑對人體的危害。

（c）吊斗內混凝土不應裝得過滿，防止溢出。

6.2 噪聲控制的技術措施

（a）施工中盡量采用低噪聲的工藝和施工方法，必要時采取搭設隔音棚進行噪聲防護。

（b）結構層表面進行處理的噪聲可能超過建筑施工現(xiàn)場的噪聲限值時，應在開工前向建設行政主管部門和環(huán)保部門申報，核準后再施工。

7 應用效益分析

7.1 技術效果

該工法解決了鋼管內混凝土收縮不均及與鋼管連接不緊密的技術難題，本工程采用敲擊鋼管法進行初步檢查，結果表明其整體密實度均良好。其中對重要部位鋼柱混凝土進行了超聲波實體探測，均達到了鋼管內混凝土與鋼管結合緊密、混凝土密實無收縮的效果。

我們曾對普通振動器和高頻振動器2 種設備振搗的混凝土進行密實度檢測，通過檢測圖比對，高頻振動器振搗的混凝土雷達反射波波幅較穩(wěn)定，表明混凝土密實度較好。同時對混凝土取芯進行干表觀密度檢測對比，發(fā)現(xiàn)密實度進一步提高，耐久性增強。

7.2 經(jīng)濟效益

保證了混凝土灌芯的質量，節(jié)約了返修的費用，提高了經(jīng)濟效益。

7.3 社會效益

此工法可行性強，對施工速度無影響，工程質量好。特別是耗能小，施工噪聲小，在施工現(xiàn)場同條件下，對普通振動器和高頻振動器進行噪聲檢測，普通振動器的噪聲為95 dB，而高頻振動器的噪聲為75.1 dB，大大降低了噪聲對環(huán)境的影響。同樣，在金隅·杭政儲出18號2-D地塊工程鋼管混凝土柱、海寧長安大酒店工程矩形鋼管混凝土柱施工中，應用鋼管內無收縮混凝土工法，均收到了良好效果，凸顯其廣闊的應用與發(fā)展前景。